梁柱式轻钢结构体系在低层独立式住宅_别墅_中的应用

Technology科技9602.03 architectural creation建筑创作ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＢＥＡＭ－ＡＮＤ－ＣＯＬＵＭＮ　ＴＹＰＥ　ＬＩＧＨＴＳＴＥＥＬ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬＳＹＳＴＥＭ　ＩＮ　ＬＯＷ－ＲＩＳＥＶＩＬＬＡＳ周晖梁柱式轻钢结构体系在低层独立式住宅（别墅）中的应用摘要：　本文通过对梁柱式轻钢结构体系在香港和记黄埔地产所投资开发的花木二号地块“春夏秋冬”别墅项目中的应用情况的介绍与分析，总结了轻钢结构体系在发展中亟待解决的问题，并提出了轻钢结构体系的装配化发展方向。关键词：轻钢结构；干式作业；居住性能；环保住宅；装配化Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅａｍ－ａｎｄ－ｃｏｌｕｍｎ　ｔｙｐｅ　ｌｉｇｈｔ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　“Ｓｐｒｉｎｇ，Ｓｕｍｍｅｒ，　Ａｕｔｕｍｎ　ａｎｄ　Ｗｉｎｔｅｒ”Ｖｉｌｌａｓ　ｉｎ　Ｈｕａｍｕ　Ｎｏ．　２　ｄｉｓ－ｔｒｉｃｔ　ｉｎ　Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ　ｉｎｖｅｓｔｅｄ　ｂｙ　Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ　Ｈｅｊｉｅ　ＨｕａｎｇｐｕＲｅａｌ　Ｅｓｔａｔｅ　Ｃｏ．　ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｒａｉｓｅｓ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｏ　ｂｅｒｅｓｏｌｖｅｄ　ａｎｄ　ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　Ｌｉｇｈｔ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　ｄｒｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　ｌｉｖｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｖｉｌｌａｓ，　ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ中图分类号：Ｔｕ３９２．５文献标识码：Ｂ文章编号：１００４－８５３７（２００３）０２－００９６－０８Ｂｙ　Ｚｈｏｕ　Ｈｕｉ 这两年上海地区的别墅住宅的开发量明显地增长。据２０００年１０月底的统计，别墅类物业销售面积已经达到１０５７．２１万ｍ２，占商品房开发面积的２８％，别墅物业的销售额已经占了整个上海房Technology科技

97建筑创作02.03 architectural creation造价成本上的竞争，所以我们的研发主导思想是“经济合理”。为此在选材上，主要选择用钢量较低，且市场供应基础比较好的冷弯薄壁方钢管和热轧Ｈ型钢（或高频焊接轻型Ｈ型钢）。向我们提供这样的钢材的加工企业在上海地区有上海大通钢结构有限公司。 该体系为简便起见我们暂且称之为“梁柱式轻钢结构体系”，但严格地说不是非常的确切。因为在该体系中的梁柱连接方式，考虑到施工的简便性和成本原因并没有实行完全的刚接构造（图１），所以不能作为刚性框架体系来进行受力分析。这样抵抗地震与风荷载造成的水平力主要依靠布置支撑来负担完成（图２），为此在设计中必须通过空间杆系模型来进行受力分析和验证。总之，在这个结构形式中基本是依靠垂直支撑和水平支撑的作用保证了整个体系的可靠稳定性（图３）。并且我们认为这样的结构形式对于独立式低层住宅来说是最为经济合理的结构形式（图４）。 ２．保障刚性的具体做法 （１）　二层楼板采用Ｖ５０压型钢板上浇筑７０ｍｍ钢筋混凝土，既确保了楼面的刚性又满足了规范所规定的１．０ｈ的耐火极限要求（图５）。产市场销售额的１／３强。另外根据某些市场预测的说法，从长期需求来看，上海的别墅需求在５至１０万套。而目前上海别墅上市的总量还不到１．５万套，仍然有较大空间可以作持续发展。 结合当前中国建筑技术研究院与上海天艺建筑装饰工程有限公司（设计施工总承包工程公司）合作，结合目前我国钢结构行业的生产条件和实际情况，在现行建筑规范的适用范围之内，开发研制了一套针对二层别墅的轻钢结构体系。该体系先后用于上海、宁波、广东、大连等地区的别墅开发工程之中，得到了房地产开发商的好评和建筑业同行的关注。 本文结合该体系的应用实例，香港和记黄埔地产（李嘉诚集团的成员公司之一）所投资开发的花木二号地块“春夏秋冬”别墅项目，将体系分为结构体系和建筑性能两部分内容进行技术介绍并总结实践经验。结构体系 １．经济合理的结构形式 对于低层住宅来说，目前钢结构体系还无法与砖混结构进行Technology科技9802.03 architectural creation建筑创作 （２）　柱脚采用预埋式高强螺栓的刚性连接方式，确保地震时的水平刚性（图６）。 （３）　所有梁柱连接节点板的焊接工作均要求在加工厂完成。 ３．用钢量的问题 通过计算得知该体系在“春夏秋冬”项目中的平均用钢量为５６．８ｋｇ／ｍ２（表１）。这比我们预计的用钢量要偏高。这是由于该项目的别墅设计造型是模仿北美木结构住宅，其体形大多较为复杂，许多钢柱钢梁用作了造型构件。尤其是屋面多为四坡顶，造成屋顶用钢量明显地偏多。事实上成为，我们用了一副轻快的结构骨架去表现一个厚重的建筑造型（图７）。 由此我们认为，今后如何利用和发挥钢结构住宅的结构轻盈的特点，应该成为建筑设计人员的研究课题之一。现在的建筑设计者大多因袭钢筋混凝土建筑的“设计先行，结构在后”的传统技术分工的工作方法，但是国外的许多轻钢结构住宅的建筑与结构的设计工作大多是由建筑师一个人独立担当的。建筑师大多对钢结构的造型能力有较深的理解。建筑性能 １．耐火 建筑防火等级按照规范定为二级。具体做法我们选择了比较简便易行的防火涂料方法。对所有结构受力构件均涂超薄膨胀型防火涂料，涂层厚度要求满足《建筑设计防火规范》ＧＢＪ１６－８７的要求，做到承重柱、梁、屋架和檩条分别满足２．５、１．５、０．５ｈ的耐火极限要求。 ２．防锈 要求加工构件出厂前都必须做镀锌防锈处理，镀锌量要求不小于５００ｇ／ｍ２。考虑到目前施工的实际水平，要求构件安装完成后必须做构件表面防锈检查。对被破坏的面层要求补刷防锈漆，并刷酚醛瓷漆面漆二度。高强螺栓的安装方式是，先对螺栓接触面进行喷砂处理，要求摩擦系数保证０．３５以上，螺栓安装后再对防锈面层破坏处补刷防锈漆，并刷酚醛瓷漆面漆二度。这样在结构全部安装与防锈检查完成之后，再进行防火涂料的工序。 ３．隔音 对于隔音的问题，由于组成钢结构建筑的构件与部品一般均Technology科技

99建筑创作02.03 architectural creation以轻质为原则进行选择组合，所以这些构件与部品本身的重量都较小，比如外墙挂板不是轻质材料就是薄型材料，总之材料本身的隔音性能都相对较低。还有，钢结构建筑的施工也是尽量以干式作业法为原则的，与湿式作业法相比部件的一体化程度较差，有漏音现象发生。但是，对于独立式住宅来说，隔音性能不像多层建筑那样会成为严重的邻里纠纷问题。但是，即便如此我们还是做了比较可靠的隔音构造处理。 首先，前面提到的二层楼面采用了压型钢板上现浇钢筋混凝土的做法，已经可以达到良好的隔音效果。还有，由于钢结构住宅的室内一般都必须用板材（轻钢龙骨石膏板）将柱梁及支撑等结构体掩蔽起来才能算完成的成品。利用这个构造形式所形成的空腔与空腔内所填充的保温材料也可以使建筑达到一定的隔音效果，如果有特殊要求的话，外墙体的内面还可以加做双层石膏板。像卧室这样的房间我们还要求在内隔墙内也填入玻璃棉来提高隔音性能。 ４．保温、防潮、防结露 钢材是一种热传导率极高的材料，“热桥冷桥现象”是钢结构建筑不可回避而必须处理的主要问题之一。解决这个问题的主要手段是保温措施。它又有两种构造方法，一种是内保温，一种是外保温，两种方法各有其利弊。内保温就是在外墙内侧做保温层，即室内保温。而外保温则相反，是用保温材料将建筑物从头至脚完全包裹起来的做法。但是对于钢结构别墅这样造型较为复杂的住宅建筑来说，要做外保温有很多困难（如屋面的钢结构挑檐不好处理等，做不到位的话，反而会因为钢结构的热桥作用引起室内的大量热损失。所以我们原则上主要依靠内保温措施来达到一定的保温性能。 首先是屋面及天花的保温隔热措施。我们在此处采用了双重的保温隔热措施。先在屋面下直接做一层保温层，尽量减少屋面日照的热辐射作用。再在吊顶上部紧贴着天花板做一层保温层起到直接的保温效果。另外，为了防止室内的日常生活而散发的水蒸汽会上升到吊顶内，在钢屋架上或柱子的上端出现结露现象，我们在吊顶上屋架内还设置了通风装置，并且在选择保温材料时选择了比较柔软的材料以便在施工时堵实天花的各种缝隙，杜绝室内水蒸汽逸入吊顶之内。根据国外的经验，屋面与吊顶的保温量Technology科技10002.03 architectural creation建筑创作按三七开分配（图８）。 外墙的保温与屋面保温相似，也可以说有双重措施。首先，在轻钢龙骨石膏板内墙面与钢结构之间密布保温材料。墙体材料则选择了保温性能较优的加气混凝土砌块，起到了类似屋面保温的辅助作用。原先我们从完全干式装配的技术发展方向出发还研究讨论过使用轻质外墙挂板材料，比如同样具有保温性能的蒸压轻质加气混凝土板（又名ＡＬＣ板或伊通板）以及北新建材的“金邦板”。但是，首先目前国内的板材类墙体建材的生产企业太少，市场的供应基础不佳，其次这些企业的这类挂板产品品种过分单调，不能满足建筑设计的需要，再者其产品质量与安装工艺也有许多令人不能放心的地方，较难满足别墅这样的高档建筑产品的外观质量要求。 底层地面的防潮措施一般都会受到关心，而不太会有人注意到保温。但是，如果要将内保温做到位则必须做好地面保温，以期完全杜绝室内的热量流失。具体做法是选择耐水性好的保温材料（如ＸＰＳ）铺设于地面装饰层下。当然窗户等建筑开口部是关系到建筑整体保温性能的关键内容之一，对此我们积极推荐使用双层中空ＬＯＷ－Ｅ断热型铝合金窗。 保温措施做到如此地步，应该不用担心室内因为钢结构的冷桥作用而出现室内结露的现象。但是，由于墙内保温层的作用，钢结构所处的空间与室内在温差上会比较大，室内的高温水蒸汽会在气压作用下通过内墙面石膏板的间隙侵入墙体内，在钢结构上形成难以察觉的墙体内部结露问题，同时由于保温材料对水蒸汽的自然吸收作用，保温材料的保温性能也会大大地降低。为此，我们在内墙石膏板及吊顶石膏板和其下的保温材料之间做一层隔汽纸作为防湿措施。并要求该隔汽纸必须做到密闭，铺设时的相互搭接必须保证１００ｍｍ的宽度。还有，考虑到在钢结构的柱脚部位，混凝土基础中的浸透水会对柱脚形成腐蚀，在基础混凝土与柱脚之间设有聚乙烯塑料膜作为防湿措施。 根据以上的保温措施我们通过计算得知，这个轻钢结构体系的住宅可以将热损失系数降低到２．２ｋａｌ／ｍ２ｈｏＣ左右。这个数值达到了日本“次世代节能标准”的要求，不仅可以有效地提高居住质量，还大大降低这种住宅在使用中的能源消耗，是名副其实的环保住宅（表２）。Technology科技

101建筑创作02.03 architectural creation轻钢住宅的造价成本问题 钢结构住宅虽然有许多独到之处，但是其造价一直是影响它在市场上推广的主要因素。特别是对低层独立式住宅来说，因自重轻而节省基础造价的效果没有高层与多层那样明显（对低层建筑，规范强调的是基础埋设深度而与建筑物的重量关系不大），而其市场竞争对手砖混结构的造价却又非常之低。我们做过一个比较计算，比较在达到同样的保温性能的条件之下，如上介绍的轻钢结构体系与砖混结构体系在同样的别墅建筑上的造价差距。结果是轻钢结构体系是砖混结构体系的１．５倍（表３）。 造成这样悬殊的价格差异的主要原因我们是这样认为的：钢材本身和组成钢结构的构件作为工业产品均是由城市劳动力在工厂通过高度机械化方式生产的，而混凝土产品则大多是由农村廉价劳动力再经过机械化程度较低的条件下生产的，生产成本本身就有很大的差异。再者，由于钢结构产品的市场规模有限，而且由于需求量不稳定造成生产量极不均衡，为了维持其再生产的资金周转就必须取得相当高的产品利润。而混凝土产品的情况则完全不同，需求量既大又稳，产量高利润低。根据这样的情况，解决这个问题有两个途径可以考虑。一个是城市化，将大量的农村廉价劳动力转为城市劳动力，平衡两者生产成本间的差异。另一个是推行大量使用钢结构的国家政策，强有力地增加钢结构需求量，调整市场规模降低产品利润。 当然，在目前的条件下钢结构与混凝土的竞争还可以依靠某些建筑技术手段，在这个梁柱式轻钢结构体系中我们试图通过提高居住性能与混凝土建筑产品展开性能竞争。比如，砖混结构要达到前文所述的保温性能是比较困难的，其要么增加墙体厚度牺牲使用面积，要么使用高性能的保温材料。但是由于其施工方式是湿式作业法，与以干式作业法为主要手段的保温材料在构造设计和工序安排上都会有一定的困难。而轻钢结构体系由于其墙体为空心体，在不影响建筑使用面积的前提下有许多方法可以不断地提高各种各样的居住性能。还有，其符合工业化原理的干式作业法也使其在施工时各工序之间的衔接比较明确与方便，施工质量易于检查与保证。 在依靠性能取胜这一点上，我们认为这个体系也与当前国家的政策相吻合。例如国家正在有计划地淘汰毛胚房的交房政策，而